Наблюдение нейтрино от SN 1987A

Сверхновая SN 1987A, взрыв которой произошёл 23 февраля 1987 года в Большом Магеллановом Облаке на расстоянии примерно 168 000 световых лет от Земли, стала первой сверхновой в современной эпохе, нейтрино от которой удалось зарегистрировать непосредственно. Эти наблюдения открыли новую эпоху астрофизики нейтрино и подтвердили фундаментальные теории коллапса массивных звёзд.

Детекторы нейтрино и условия регистрации

Для регистрации нейтрино от SN 1987A использовались три основных подземных детектора:

1. Kamiokande II (Япония)

   • Водный черенковский детектор, объём 3 000 тонн воды.

   • Основной метод регистрации — наблюдение черенковского излучения, возникающего при столкновении антинейтрино с протонами через реакцию обратного бета-распада:

     ν̄_e + p → e⁺ + n

   • Детектор зарегистрировал 12 событий в течение 13 секунд, что оказалось статистически значимым сигналом сверхновой.

2. IMB (США)

   • Подземный водный черенковский детектор объёмом 8 000 тонн воды.
   • Методы регистрации аналогичны Kamiokande II.
   • Зафиксировал 8 событий, согласующихся по времени с сигналом из Kamiokande II.

3. Baksan (СССР)

   • Сцинтилляционный детектор объёмом около 200 тонн.
   • Зарегистрировал 5 событий в тот же временной интервал.

Ключевым моментом является то, что эти события наблюдались почти синхронно, с учётом возможной разницы во времени из-за расстояния и точности синхронизации часов.

Энергетический спектр и временная структура

Энергия зарегистрированных нейтрино варьировалась от 7 до 40 МэВ, что согласуется с предсказаниями моделей коллапса ядра массивной звезды. Временная последовательность событий показала всплеск интенсивности нейтрино, продолжавшийся около 10 секунд, что соответствует этапу формирования нейтронной звезды и выброса нейтринного потока:

• Начальный всплеск: высокоэнергетические нейтрино, связанные с моментом коллапса ядра.
• Основная эмиссия: среднеэнергетические нейтрино, отражающие охлаждение и делэпилюцию протон-нейтронного вещества.

Суммарная энергия, переносимая нейтрино, оценивалась в  ∼ 3 × 10⁵³ эрг, что составляет почти 99% всей энергии взрыва сверхновой, подтверждая теоретическую модель энергетического баланса при коллапсе ядра.

Физические выводы

1. Подтверждение теории коллапса ядра Регистрация нейтрино впервые предоставила прямое доказательство того, что энергия сверхновой при коллапсе ядра выбрасывается преимущественно через нейтрино. Модели, предсказывающие образование нейтронной звезды и выделение порядка 10⁵³ эрг в нейтрино, получили экспериментальное подтверждение.

2. Временные характеристики коллапса Продолжительность сигнала (~10 секунд) согласуется с оценками времени охлаждения протон-нейтронного ядра, что подтверждает расчёты теплообмена и нейтринных оптических толщ в экстремальных плотностях (ρ ∼ 10¹⁴ г/см³).

3. Энергетический спектр нейтрино Средняя энергия нейтрино  ∼ 10 − 20 МэВ подтвердила, что большинство нейтрино испускаются через слабые взаимодействия в условиях термодинамического равновесия, характерного для коллапсирующего ядра.

Значение для астрофизики и физики элементарных частиц

• Астрофизика: впервые удалось напрямую изучить внутренние процессы сверхновой, что недоступно при наблюдениях в видимом диапазоне.
• Физика нейтрино: SN 1987A позволила установить ограничения на массу нейтрино и их осцилляции, а также проверила методы расчёта сечений обратного бета-распада.
• Развитие детекторов: наблюдения от SN 1987A стимулировали развитие крупных подземных детекторов (Super-Kamiokande, SNO, IceCube) для изучения астрофизических нейтрино.

Особенности интерпретации данных

Несмотря на малое количество зарегистрированных событий (25–30 в сумме по трём детекторам), корреляция времени, направления и энергии позволила исключить случайный фон. Важным является также то, что наблюдение нейтрино предшествовало первому оптическому сигналу сверхновой на Земле примерно на 3 часа, что согласуется с моделями распространения света через внешние оболочки звезды после коллапса.